JPH06150943A - 酸素イオン導伝体及び固体燃料電池 - Google Patents
酸素イオン導伝体及び固体燃料電池Info
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- JPH06150943A JPH06150943A JP4296214A JP29621492A JPH06150943A JP H06150943 A JPH06150943 A JP H06150943A JP 4296214 A JP4296214 A JP 4296214A JP 29621492 A JP29621492 A JP 29621492A JP H06150943 A JPH06150943 A JP H06150943A
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- Japan
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- fuel cell
- ionic conductivity
- present
- oxygen ion
- solid fuel
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、ＹＳＺに比ベてイオン伝導率の高
く、室温と動作温度の間での構造変態がなく、さらに、
燃料電池の固体電解質としても実用上使用可能な酸素イ
オン導伝体及び固体燃料電池を提供することを目的とす
る。 【構成】 本発明は、（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2
Ｏ3−ｙＭ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆ
ｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ば
れる１種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞０）
なる組成物であることを特徴とする。
く、室温と動作温度の間での構造変態がなく、さらに、
燃料電池の固体電解質としても実用上使用可能な酸素イ
オン導伝体及び固体燃料電池を提供することを目的とす
る。 【構成】 本発明は、（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2
Ｏ3−ｙＭ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆ
ｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ば
れる１種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞０）
なる組成物であることを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は酸素イオン導伝体及び固
体電解質燃料電池に関するものである。
体電解質燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、酸素イオン導伝体を用いた固体電
解質燃料電池に関心が高まりつつある。特にエネルギー
の有効利用という観点から、固体燃料電池はカルノー効
率の制約を受けないため本質的に高いエネルギー変換効
率を有し、さらに良好な環境保全が期待されるなどの優
れた特長を持っている。
解質燃料電池に関心が高まりつつある。特にエネルギー
の有効利用という観点から、固体燃料電池はカルノー効
率の制約を受けないため本質的に高いエネルギー変換効
率を有し、さらに良好な環境保全が期待されるなどの優
れた特長を持っている。
【０００３】固体電解質燃料電池の電解質として従来最
も有望視されてきた酸素イオン導伝体であるＹ2Ｏ3安定
化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）において十分なイオン伝導度を得
るには１０００℃の高温動作が必要である。
も有望視されてきた酸素イオン導伝体であるＹ2Ｏ3安定
化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）において十分なイオン伝導度を得
るには１０００℃の高温動作が必要である。
【０００４】しかし、このような高温では電極界面との
反応による部品寿命の劣化が激しく固体燃料電池の実用
化がおくれているのが現状である。このような観点から
動作温度を下げることが望まれそのためＹＳＺより高い
イオン伝導材料の出現が望まれている。
反応による部品寿命の劣化が激しく固体燃料電池の実用
化がおくれているのが現状である。このような観点から
動作温度を下げることが望まれそのためＹＳＺより高い
イオン伝導材料の出現が望まれている。
【０００５】一般にジルコニア系の酸素イオン導伝体で
はドーパントのイオン半径が小さくなるほどイオン伝導
度が上昇する傾向がある。これはドーパントのイオン半
径がＺｒ4+のイオン半径に近づくと、動きうる酸素イオ
ンの活性化エネルギーが小さくなるためである。事実Ｚ
ｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ3系はジルコニア系で最も高いイオン伝
導度を有することが知られている。しかし、ドーパント
の増加とともに結晶構造は単斜晶−菱面体−立方晶と変
化し、またイオン伝導度が最大の値をとる領域では菱面
体が室温で安定となり立方晶が安定化されない。さらに
６５０℃以上では立方晶に構造相転移するため熱サイク
ルによる破壊を引き起こし固体電解質材料として使用す
ることは問題が多い。
はドーパントのイオン半径が小さくなるほどイオン伝導
度が上昇する傾向がある。これはドーパントのイオン半
径がＺｒ4+のイオン半径に近づくと、動きうる酸素イオ
ンの活性化エネルギーが小さくなるためである。事実Ｚ
ｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ3系はジルコニア系で最も高いイオン伝
導度を有することが知られている。しかし、ドーパント
の増加とともに結晶構造は単斜晶−菱面体−立方晶と変
化し、またイオン伝導度が最大の値をとる領域では菱面
体が室温で安定となり立方晶が安定化されない。さらに
６５０℃以上では立方晶に構造相転移するため熱サイク
ルによる破壊を引き起こし固体電解質材料として使用す
ることは問題が多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＹＳＺに比
ベてイオン伝導率の高く、室温と動作温度の間での構造
変態がなく、さらに、燃料電池の固体電解質としても実
用上使用可能な酸素イオン導伝体及び固体燃料電池を提
供することを目的とする。
ベてイオン伝導率の高く、室温と動作温度の間での構造
変態がなく、さらに、燃料電池の固体電解質としても実
用上使用可能な酸素イオン導伝体及び固体燃料電池を提
供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の酸素イオン導伝
体は（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＭ2Ｏ
3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍ
ｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１種；０
＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞０）なる組成なる
ことを特徴とする。
体は（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＭ2Ｏ
3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍ
ｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１種；０
＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞０）なる組成なる
ことを特徴とする。
【０００８】また、本発明の固体燃料電池は（１−ｘ−
ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＭ2Ｏ 3（ＭはＩｎ，Ｇ
ａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，
Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１
６かつｘ＞０，ｙ＞０）なる組成なる酸素イオン導伝体
を固体電解質として用いたことを特徴とする。
ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙＭ2Ｏ 3（ＭはＩｎ，Ｇ
ａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，
Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１
６かつｘ＞０，ｙ＞０）なる組成なる酸素イオン導伝体
を固体電解質として用いたことを特徴とする。
【０００９】尚、上記のような酸素イオン導伝体は通常
の固相反応による焼結法で得られる。
の固相反応による焼結法で得られる。
【００１０】
【作用】以下に本発明の作用を本発明をなすに際して得
た知見とともに説明する。
た知見とともに説明する。
【００１１】本発明者は、まず、ＺｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ3系
のイオン導伝体を固体電解質として燃料電池に用いた場
合になぜに電極との間での剥離が生ずるかの原因の解明
を行った。その結果、剥離は次のような理由によって生
ずるのであろうとの知見を得た。
のイオン導伝体を固体電解質として燃料電池に用いた場
合になぜに電極との間での剥離が生ずるかの原因の解明
を行った。その結果、剥離は次のような理由によって生
ずるのであろうとの知見を得た。
【００１２】すなわち、ドーパントの増加とともに結晶
構造は単斜晶−菱面体−立方晶と変化し、またイオン伝
導度が最大の値をとる領域では菱面体が室温で安定とな
り立方晶が安定化されない。さらに６５０℃以上では立
方晶に構造変化するため、熱膨張率の相違に基づき、熱
サイクルによる破壊（剥離）を引き起こすものであると
考えられる。
構造は単斜晶−菱面体−立方晶と変化し、またイオン伝
導度が最大の値をとる領域では菱面体が室温で安定とな
り立方晶が安定化されない。さらに６５０℃以上では立
方晶に構造変化するため、熱膨張率の相違に基づき、熱
サイクルによる破壊（剥離）を引き起こすものであると
考えられる。
【００１３】そこで、本発明者は、かかる相変態を防止
するための手段を求めるべく、幾多の実験を重ね創意探
求した。ただ、注意を要した点は、相変態を防止するだ
けでは不十分であり、相変態を防止し得るとともに、Ｙ
ＳＺよりも高いイオン伝導度を保持せしめなければなら
ないということである。
するための手段を求めるべく、幾多の実験を重ね創意探
求した。ただ、注意を要した点は、相変態を防止するだ
けでは不十分であり、相変態を防止し得るとともに、Ｙ
ＳＺよりも高いイオン伝導度を保持せしめなければなら
ないということである。
【００１４】幾多の実験を重ねる過程において、本発明
者はＳｃの他に副ドーパントを添加すると安定した相構
造が得られ、また、高いイオン伝導度を示す場合がある
ことを見いだした。
者はＳｃの他に副ドーパントを添加すると安定した相構
造が得られ、また、高いイオン伝導度を示す場合がある
ことを見いだした。
【００１５】そこで、さらに実験を重ねたところ、Ｓｃ
の一部を２価または３価が安定な元素で置換すると立方
晶構造が安定して得られることを知見した。
の一部を２価または３価が安定な元素で置換すると立方
晶構造が安定して得られることを知見した。
【００１６】しかし、そのような副ドーパントであって
も、高い伝導度の得られない場合もあり、その理由をさ
らに探求したところ、主ドーパントであるＳｃと副ドー
パントの合計含有量が一つの要因をなしており、ある限
定された範囲内における添加量とすることが必要である
ことを解明し、本発明をなすにいたった。
も、高い伝導度の得られない場合もあり、その理由をさ
らに探求したところ、主ドーパントであるＳｃと副ドー
パントの合計含有量が一つの要因をなしており、ある限
定された範囲内における添加量とすることが必要である
ことを解明し、本発明をなすにいたった。
【００１７】本発明は、（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳ
ｃ2Ｏ3−ｙＭ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選
ばれる１種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞
０）なる組成なる材料を用いる。
ｃ2Ｏ3−ｙＭ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選
ばれる１種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞
０）なる組成なる材料を用いる。
【００１８】すなわち、本発明によって得られるイオン
導伝体は、主ドーパントとしてＳｃを含有する。Ｓｃの
イオン半径はＺｒに近いためＹＳＺより酸素イオンが動
きやすい。このためＹＳＺに比ベて低温で著しく大きな
イオン伝導度を実現できる。
導伝体は、主ドーパントとしてＳｃを含有する。Ｓｃの
イオン半径はＺｒに近いためＹＳＺより酸素イオンが動
きやすい。このためＹＳＺに比ベて低温で著しく大きな
イオン伝導度を実現できる。
【００１９】また、本発明では、２価または３価が安定
な副ドーパントを添加する。かかる副ドーパントにより
イオン伝導度はほぼＳｃの特性を保持し、なおかつ、結
晶構造は立方晶に安定化され高温での結晶変態は現われ
ない。
な副ドーパントを添加する。かかる副ドーパントにより
イオン伝導度はほぼＳｃの特性を保持し、なおかつ、結
晶構造は立方晶に安定化され高温での結晶変態は現われ
ない。
【００２０】さらに本発明では、０＜ｘ＋ｙ＜０．１６
とする。かかる限定された範囲における添加量によって
のみ、相変態がなく、しかも高いイオン伝導度を有する
イオン導伝体が得られる。すなわち、ｘ＋ｙ＞０．１６
とすると高いイオン伝導度が得られなくなる。以上のよ
うな構成とすることによって、高イオン伝導度かつ熱サ
イクルに対する機械的強度の強い（例えば、電極との剥
離が生じない）材料を実現できる。
とする。かかる限定された範囲における添加量によって
のみ、相変態がなく、しかも高いイオン伝導度を有する
イオン導伝体が得られる。すなわち、ｘ＋ｙ＞０．１６
とすると高いイオン伝導度が得られなくなる。以上のよ
うな構成とすることによって、高イオン伝導度かつ熱サ
イクルに対する機械的強度の強い（例えば、電極との剥
離が生じない）材料を実現できる。
【００２１】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。なお、当
然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるも
のではない。
然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるも
のではない。
【００２２】（実施例１）（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘ
Ｓｃ2Ｏ3−ｙＭ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃ
ｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内か
ら選ばれる１種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ
＞０）を表１に示す化学組成で配合した後、十分混合
し、２０ｍｍφ厚さ２ｍｍのぺレットに成型したものを
１６２０℃の温度で空気中６０時間焼成を行ってイオン
導伝体を作製した。試料の生成相を粉末Ｘ線回折で同定
した後、イオン伝導率をインピーダンスメータにより、
１０Ｈｚ−１ＭＨｚの周波数でスイープした後、インピ
ーダンスプロットを行って測定した。
Ｓｃ2Ｏ3−ｙＭ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃ
ｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内か
ら選ばれる１種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ
＞０）を表１に示す化学組成で配合した後、十分混合
し、２０ｍｍφ厚さ２ｍｍのぺレットに成型したものを
１６２０℃の温度で空気中６０時間焼成を行ってイオン
導伝体を作製した。試料の生成相を粉末Ｘ線回折で同定
した後、イオン伝導率をインピーダンスメータにより、
１０Ｈｚ−１ＭＨｚの周波数でスイープした後、インピ
ーダンスプロットを行って測定した。
【００２３】図１に０．８８ＺｒＯ2−０．１０Ｓｃ2Ｏ
3−０．０２ＩｎＯ3の場合の室温におけるＸ線回折図形
を示す（図１（ａ））。尚、副ドーパントを含まない
０．８８ＺｒＯ2−０．１２Ｓｃ2Ｏ3の場合も示す（図
１（ｂ））。ドーパントを含まない場合、室温では菱面
体相が単一相として得られる。ところが、温度を上げる
と６５０℃付近で立方晶に転移する。しかし、副ドーパ
ントの添加により立方晶が安定化されていることがわか
る。
3−０．０２ＩｎＯ3の場合の室温におけるＸ線回折図形
を示す（図１（ａ））。尚、副ドーパントを含まない
０．８８ＺｒＯ2−０．１２Ｓｃ2Ｏ3の場合も示す（図
１（ｂ））。ドーパントを含まない場合、室温では菱面
体相が単一相として得られる。ところが、温度を上げる
と６５０℃付近で立方晶に転移する。しかし、副ドーパ
ントの添加により立方晶が安定化されていることがわか
る。
【００２４】図２にイオン伝導度の温度依存性を示す。
Ｉｎ2Ｏ3を添加していない０．８８ＺｒＯ2−０．１２
Ｓｃ2Ｏ3では結晶構造の相転移にともないイオン伝導度
が転移温度付近で不連続的に変化する（図２（ｂ））。
Ｉｎ2Ｏ3を添加した０．８８ＺｒＯ2−０．１０Ｓｃ2Ｏ
3−０．０２Ｉｎ2Ｏ3ではイオン伝導度はほぼ直線的な
アレリウスの関係をほぼ満足する（図２（ａ））。Ｉｎ
2Ｏ3をドープした場合でも８００℃で６．１ｘｌ０-2ｏ
ｈｍ-1ｃｍ-1と優れたイオン伝導性を示す。
Ｉｎ2Ｏ3を添加していない０．８８ＺｒＯ2−０．１２
Ｓｃ2Ｏ3では結晶構造の相転移にともないイオン伝導度
が転移温度付近で不連続的に変化する（図２（ｂ））。
Ｉｎ2Ｏ3を添加した０．８８ＺｒＯ2−０．１０Ｓｃ2Ｏ
3−０．０２Ｉｎ2Ｏ3ではイオン伝導度はほぼ直線的な
アレリウスの関係をほぼ満足する（図２（ａ））。Ｉｎ
2Ｏ3をドープした場合でも８００℃で６．１ｘｌ０-2ｏ
ｈｍ-1ｃｍ-1と優れたイオン伝導性を示す。
【００２５】以下同様にして測定した８００℃でのイオ
ン伝導度の結果を表１に示す。いずれの場合も８００℃
におけるＹＳＺの値２ｘｌ０-2ｏｈｍ-1ｃｍ-lより高い
イオン伝導度を示し、また結晶構造は室温まで立方晶が
安定化されていた。
ン伝導度の結果を表１に示す。いずれの場合も８００℃
におけるＹＳＺの値２ｘｌ０-2ｏｈｍ-1ｃｍ-lより高い
イオン伝導度を示し、また結晶構造は室温まで立方晶が
安定化されていた。
【００２６】
【表１】 材料 伝導率(ohm-1cm-1) 0.88ZrO2-0.115Sc2O3-0.005In2O3 5.1xl0-2 0.88ZrO2-0.10Sc2O3-0.02In2O3 6.1x10-2 0.88ZrO2-0.08Sc2O3-0.04In2O3 5.7x10-2 0.88ZrO2-0.06Sc2O3-0.06In2O3 5.1x10-2 0.88ZrO2-0.04Sc2O3-0.08In2O3 4.8x10-2 0.88ZrO2-0.02Sc2O3-0.10In2O3 2.2x10-2 （実施例２）（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙ
Ｍ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１
種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞０）を表２
に示す化学組成で配合した後、十分混合し、２０ｍｍφ
厚さ２ｍｍのぺレットに成型したものを１６２０℃の温
度で空気中６０時間焼成を行ってイオン導伝体を作製し
た。試料の生成相を粉末Ｘ線回折で同定した後、イオン
伝導率をインピーダンスメータにより、１０Ｈｚ−１Ｍ
Ｈｚの周波数でスイープした後、インピーダンスプロッ
トを行って測定した。副ドーパントＩｎ2Ｏ3により結晶
構造は菱面体相があらわれず室温まで立方晶が安定化さ
れていた。実施例１と同様にして測定した８００℃での
イオン伝導度の結果を表３に示す。ｘ＋ｙ＜０．１６で
は８００℃におけるＹＳＺの値２ｘｌ０-2ｏｈｍ-lｃｍ
-lより高いイオン伝導度を示した。
Ｍ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１
種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞０）を表２
に示す化学組成で配合した後、十分混合し、２０ｍｍφ
厚さ２ｍｍのぺレットに成型したものを１６２０℃の温
度で空気中６０時間焼成を行ってイオン導伝体を作製し
た。試料の生成相を粉末Ｘ線回折で同定した後、イオン
伝導率をインピーダンスメータにより、１０Ｈｚ−１Ｍ
Ｈｚの周波数でスイープした後、インピーダンスプロッ
トを行って測定した。副ドーパントＩｎ2Ｏ3により結晶
構造は菱面体相があらわれず室温まで立方晶が安定化さ
れていた。実施例１と同様にして測定した８００℃での
イオン伝導度の結果を表３に示す。ｘ＋ｙ＜０．１６で
は８００℃におけるＹＳＺの値２ｘｌ０-2ｏｈｍ-lｃｍ
-lより高いイオン伝導度を示した。
【００２７】
【表２】 材料 伝導率(ohm-1cm-1) 0.96ZrO2-0.02Sc2O3-0.02In2O3 2.4xl0-2 0.94ZrO2-0.04Sc2O3-0.02In2O3 3.1xl0-2 0.92ZrO2-0.06Sc2O3-0.02In2O3 4.2xl0-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02In2O3 7.4xl0-2 0.88ZrO2-0.10Sc2O3-0.02In2O3 6.1xl0-2 0.86ZrO2-0.12Sc2O3-0.02In2O3 4.2xl0-2 0.84ZrO2-0.14Sc2O3-0.02In2O3 2.1xl0-2 0.80ZrO2-0.18Sc2O3-0.02In2O3 1.2xl0-2 （実施例３）（１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−ｙ
Ｍ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１
種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞０）を表３
に示す化学組成で配合した後、十分混合し、２０ｍｍφ
厚さ２ｍｍのぺレットに成型したものを１６２０℃の温
度で空気中６０時間焼成を行ってイオン導伝体を作製し
た。試料の生成相を粉末Ｘ線回折で同定した後、イオン
伝導率をインピーダンスメータにより、１０Ｈｚ−１Ｍ
Ｈｚの周波数でスイープした後、インピーダンスプロッ
トを行って測定した。副ドーパントＭ2Ｏ3（ＭはＩｎ，
Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚ
ｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１種）により結晶構造
は菱面体相があらわれず室温まで立方晶が安定化されて
いた。
Ｍ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１
種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞０）を表３
に示す化学組成で配合した後、十分混合し、２０ｍｍφ
厚さ２ｍｍのぺレットに成型したものを１６２０℃の温
度で空気中６０時間焼成を行ってイオン導伝体を作製し
た。試料の生成相を粉末Ｘ線回折で同定した後、イオン
伝導率をインピーダンスメータにより、１０Ｈｚ−１Ｍ
Ｈｚの周波数でスイープした後、インピーダンスプロッ
トを行って測定した。副ドーパントＭ2Ｏ3（ＭはＩｎ，
Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚ
ｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１種）により結晶構造
は菱面体相があらわれず室温まで立方晶が安定化されて
いた。
【００２８】実施例１と同様にして測定した８００℃で
のイオン伝導度の結果を表３に示す。ｘ＋ｙ＜０．１６
では８００℃におけるＹＳＺの値２ｘ１０-2ｏｈｍ-1ｃ
ｍ-1より高いイオン伝導度を示した。
のイオン伝導度の結果を表３に示す。ｘ＋ｙ＜０．１６
では８００℃におけるＹＳＺの値２ｘ１０-2ｏｈｍ-1ｃ
ｍ-1より高いイオン伝導度を示した。
【００２９】
【表３】 材料 伝導率(ohm-1cm-1) 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02In2O3 7.4x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Ga2O3 3.1x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Ti2O3 4.2x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02V2O3 5.3x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Cr2O3 6.1x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Fe2O3 2.4x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Co2O3 4.1x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Mg2O3 3.4x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Ca2O3 3.1x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Zn2O3 4.2x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Sr2O3 4.3x10-2 0.90ZrO2-0.08Sc2O3-0.02Ba2O3 5.1x10-2 （実施例４）図３は本発明の材料を用いた単セルの固体
燃料電池の構成例を示す図である。本実施例の電池構成
において、１は酸素電極、２は固体電解質、３は燃料電
極、４はインターコネクターである。酸素電極としては
ＳｒをドープしたＬａＭｎＯ 3を、燃料電極にはＮｉ−
ＺｒＯ2を、インターコネクターにはＬａＣｒＯ3を用い
た。単セルの作製方法は次の通りである。
燃料電池の構成例を示す図である。本実施例の電池構成
において、１は酸素電極、２は固体電解質、３は燃料電
極、４はインターコネクターである。酸素電極としては
ＳｒをドープしたＬａＭｎＯ 3を、燃料電極にはＮｉ−
ＺｒＯ2を、インターコネクターにはＬａＣｒＯ3を用い
た。単セルの作製方法は次の通りである。
【００３０】まずＳｒをドープしたＬａＭｎＯ3を通常
の固相反応法でセラミックスの焼結体に焼き上げ、その
上にドクターブレード法により固体電解質のセラミック
ス薄膜を形成１６００℃で焼き上げる。
の固相反応法でセラミックスの焼結体に焼き上げ、その
上にドクターブレード法により固体電解質のセラミック
ス薄膜を形成１６００℃で焼き上げる。
【００３１】なお、燃料電極及びインターコネクターは
単膜順次積層形成法でそれぞれ１３００℃および１２０
０℃で焼成して作る。次に、本実施例の効果を測定例で
示す。図３において、酸素電極１および燃料電極３の厚
みを１ｍｍとし、固体電解質２の厚みを０．１ｍｍと
し、インターコネクターの厚みを１ｍｍとし、２０ｍｍ
φの単セルを形成した。固体電解質２の材料が０．９０
ＺｒＯ2−０．０８Ｓｃ2Ｏ3−０．０２Ｉｎ2Ｏ3の場合
のＨ2−空気雰囲気８００℃における単セルの電流（電
流密度）−電圧特性を図４に示す。ＹＳＺ側の曲線が比
較のために示した従来例の特性である。
単膜順次積層形成法でそれぞれ１３００℃および１２０
０℃で焼成して作る。次に、本実施例の効果を測定例で
示す。図３において、酸素電極１および燃料電極３の厚
みを１ｍｍとし、固体電解質２の厚みを０．１ｍｍと
し、インターコネクターの厚みを１ｍｍとし、２０ｍｍ
φの単セルを形成した。固体電解質２の材料が０．９０
ＺｒＯ2−０．０８Ｓｃ2Ｏ3−０．０２Ｉｎ2Ｏ3の場合
のＨ2−空気雰囲気８００℃における単セルの電流（電
流密度）−電圧特性を図４に示す。ＹＳＺ側の曲線が比
較のために示した従来例の特性である。
【００３２】このようにして、本実施例は従来例より良
好な電池特性すなわち電流−電圧特性が得られた。同様
にして本発明の材料を固体電解質として用いた場合、そ
の電池特性はすべて従来例より良好であった。
好な電池特性すなわち電流−電圧特性が得られた。同様
にして本発明の材料を固体電解質として用いた場合、そ
の電池特性はすべて従来例より良好であった。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、ＺｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ
3系はジルコニア系で最も高いイオン伝導度を有するが
結晶構造の不安定性のため材料として使えなかったが第
２ドーパントの工夫により従来用いられている酸素イオ
ン導伝体ＹＳＺに比ベて約４倍の伝導度を有し、しかも
構造的には立方晶を室温まで安定化することにより熱サ
イクルに対する機械的強度が強く高温における伝導率の
経時変化の小さな材料を得ることに成功した。
3系はジルコニア系で最も高いイオン伝導度を有するが
結晶構造の不安定性のため材料として使えなかったが第
２ドーパントの工夫により従来用いられている酸素イオ
ン導伝体ＹＳＺに比ベて約４倍の伝導度を有し、しかも
構造的には立方晶を室温まで安定化することにより熱サ
イクルに対する機械的強度が強く高温における伝導率の
経時変化の小さな材料を得ることに成功した。
【００３４】また、本発明は固体燃料電池の低温動作化
に大きな貢献をなすものである。
に大きな貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）０．８８ＺｒＯ2−０．ｌ０Ｓｃ2Ｏ3−
０．０２Ｉｎ2Ｏ3 （ｂ）０．８８ＺｒＯ2−０．１２Ｓｃ2Ｏ3のＸ線回折
図形。
０．０２Ｉｎ2Ｏ3 （ｂ）０．８８ＺｒＯ2−０．１２Ｓｃ2Ｏ3のＸ線回折
図形。
【図２】（ａ）０．８８ＺｒＯ2−０．１０Ｓｃ2Ｏ3−
０．０２Ｉｎ2Ｏ3 （ｂ）０．８８ＺｒＯ2−０．１２Ｓｃ2Ｏ3のイオン伝
導度。
０．０２Ｉｎ2Ｏ3 （ｂ）０．８８ＺｒＯ2−０．１２Ｓｃ2Ｏ3のイオン伝
導度。
【図３】単セルの固体燃料電池の構成図。
【図４】単セルの電流−電圧特性図。
Claims (2)
- 【請求項１】 （１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−
ｙＭ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１
種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞０）なる組
成物であることを特徴とする酸素イオン導伝体。 - 【請求項２】 （１−ｘ−ｙ）ＺｒＯ2−ｘＳｃ2Ｏ3−
ｙＭ2Ｏ3（ＭはＩｎ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒ，Ｂａの内から選ばれる１
種；０＜ｘ＋ｙ＜０．１６かつｘ＞０，ｙ＞０）なる組
成を有する酸素イオン導伝体を固体電解質として用いた
ことを特徴とする固体燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4296214A JPH06150943A (ja) | 1992-11-05 | 1992-11-05 | 酸素イオン導伝体及び固体燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4296214A JPH06150943A (ja) | 1992-11-05 | 1992-11-05 | 酸素イオン導伝体及び固体燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06150943A true JPH06150943A (ja) | 1994-05-31 |
Family
ID=17830659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4296214A Pending JPH06150943A (ja) | 1992-11-05 | 1992-11-05 | 酸素イオン導伝体及び固体燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06150943A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003022821A (ja) * | 2001-07-09 | 2003-01-24 | Nippon Shokubai Co Ltd | スカンジア安定化ジルコニア電解質 |
| JP2003068324A (ja) * | 2001-06-15 | 2003-03-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 酸素イオン伝導性固体電解質並びにこれを用いた電気化学デバイス及び固体電解質型燃料電池 |
| JP2007026874A (ja) * | 2005-07-15 | 2007-02-01 | Toho Gas Co Ltd | ジルコニア系固体電解質およびこれを用いた固体酸化物形燃料電池 |
| US7438837B2 (en) | 2003-03-20 | 2008-10-21 | Nissan Motor Co., Ltd. | Method of producing solid electrolyte and solid electrolyte |
| JP2015535645A (ja) * | 2012-11-20 | 2015-12-14 | ブルーム エナジー コーポレーション | ドープされたスカンジア安定化ジルコニア電解質組成物 |
-
1992
- 1992-11-05 JP JP4296214A patent/JPH06150943A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003068324A (ja) * | 2001-06-15 | 2003-03-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 酸素イオン伝導性固体電解質並びにこれを用いた電気化学デバイス及び固体電解質型燃料電池 |
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| JP2015535645A (ja) * | 2012-11-20 | 2015-12-14 | ブルーム エナジー コーポレーション | ドープされたスカンジア安定化ジルコニア電解質組成物 |
| US20170117567A1 (en) * | 2012-11-20 | 2017-04-27 | Bloom Energy Corporation | Doped scandia stabilized zirconia electrolyte compositions |
| JP2018139220A (ja) * | 2012-11-20 | 2018-09-06 | ブルーム エナジー コーポレーション | ドープされたスカンジア安定化ジルコニア電解質組成物 |
| CN110061274A (zh) * | 2012-11-20 | 2019-07-26 | 博隆能源股份有限公司 | 经掺杂氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物 |
| US10381673B2 (en) | 2012-11-20 | 2019-08-13 | Bloom Energy Corporation | Doped scandia stabilized zirconia electrolyte compositions |
| US10978726B2 (en) | 2012-11-20 | 2021-04-13 | Bloom Energy Corporation | Doped scandia stabilized zirconia electrolyte compositions |
| CN110061274B (zh) * | 2012-11-20 | 2022-09-06 | 博隆能源股份有限公司 | 经掺杂氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物 |
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